CN113541177B - 电网侧电化学储能单元及电站agc控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法。本发明采用的技术方案为：运行过程中，储能电站在接收到调度下发的AGC指令后，根据储能电站EMS所选择的AGC控制对象是全站或某个独立储能单元，对AGC指令进行最大可充放电功率上/下限值约束，同时AGC指令还要进行一次调频闭锁约束；然后，储能协调控制器根据预选的功率分配策略进行PCS功率控制指令计算，在等比例或等裕度功率分配策略的基础上引入电池能耗影响因子，对AGC指令的功率分配策略进行优化。本发明可以有效实现电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制，提升电网侧电化学储能电站的运行效率和调控灵活性。

Description

电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法

技术领域

本发明涉及自动发电控制领域，具体地说是一种考虑电池效率的电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制方法。

背景技术

当前，国内电化学储能电站主要是受调度中心控制，运行过程中的储能电站能量管理系统(EMS)接收由调度下发的自动发电控制(AGC)指令，从而实现进行全站的功率调节指令的分配计算和下发。国内绝大多数储能电站仅仅实现了储能电站级AGC控制，并不具备对独立储能单元进行AGC控制能力，降低了电网对储能等优异调峰调频资源的调控灵活度。此外，站端EMS在计算全站最大可用充/放电功率和分配PCS调节指令时，需要监测各电池簇组及其PCS的告警和故障信息，但目前并不考虑各电池簇组的能效差异性。然而，由于电化学储能电站电池数量众多，在长期统一的充放电过程中各组电池必然存在SOC(电池荷电状态)和能效特性较大偏差，部分运行场景下就会出现电站效率低、损耗大的不良工况，不仅降低了储能系统经济性，也损害了电池寿命，减少了电池可运行时间。

综上所述，如何提供一种电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制方法，提升电网侧电化学储能电站的运行效率和调控灵活性，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是弥补现有方法中的不足，提供一种电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制方法，以有效实现电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制，提升电网侧电化学储能电站的运行效率和调控灵活性。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其内容如下：运行过程中，储能电站在接收到调度下发的AGC指令后，根据储能电站EMS所选择的AGC控制对象是全站或某个独立储能单元，对AGC指令进行最大可充放电功率上/下限值约束，同时AGC指令还要进行一次调频闭锁约束；

然后，储能协调控制器根据预选的功率分配策略进行PCS功率控制指令计算，在等比例或等裕度功率分配策略的基础上引入电池能耗影响因子，对AGC指令的功率分配策略进行优化。

进一步地，利用储能AGC控制策略计算某台PCS充放电功率控制指令时，若引入电池能耗因子K_i，则每台PCS的充放电功率应同时满足式(6)和式(7)的等式约束：

式中，P_i为某台PCS的充放电功率，K_i为某簇电池组的电池能耗因子；

根据电池材料及电荷特性，某簇电池组的电池能耗因子K_i与该簇组电池的充放电循环次数、运行时长和日历寿命相关，记式(8)：

K_i＝f(C_i，H_i，D_i) (8)

其中，C_i为某簇组电池的充放电循环次数，H_i为运行时长，D_i为日历寿命记；

由于充放电循环次数、运行时长和日历寿命记与电池能耗因子呈反比，那么，某簇组电池充放电循环次数在AGC功率分配中的影响因子用该电池簇组充放电循环次数C_i占电池簇组平均充放电循环次数average(C₁，…，C_n)比重的倒数表示，记为η_Ci，满足等式(9)：

同理，运行时长的影响因子记为η_Hi，日历寿命的影响因子记为η_Di，并且分别满足式(10)、(11)：

那么，某簇电池组影响因子记为η_i，并满足公式(12)：

η_i＝η_Ci×η_Hi×η_Di (12)

因此，某簇电池组在AGC功率分配中的能耗因子用该电池簇组影响因子η_i占电池簇组平均影响因子average(η₁，…，η_n)的比重来表示，记为K_i，并满足式(13)：

更进一步地，对于因出现部分PCS告警或者BMS告警情况导致PCS功率指令计算分配结果越过功率限制值的工况，要采用凸规划进行求解。

进一步地，所述的等比例功率分配策略如下：

若储能电站共有n台PCS，某台PCS的充放电功率记为P_i，则储能电站各PCS的充放电功率应满足调度AGC指令的功率约束，即满足式(1)：

当储能AGC控制策略采用等比例分配算法时，则每台PCS的充放电功率应满足式(2)的等式约束：

P₁＝P₂＝…＝P_n (2)

将式(2)代入式(1)，得到式(3)，由式(3)计算出某台PCS的充放电功率控制指令P_i和功率控制偏差ΔP_i：

其中，P_实为该PCS当前实发功率。

进一步地，所述的等裕度分配策略如下：

当储能AGC控制策略采用等裕度分配算法时，则每台PCS的充放电功率应同时满足式(1)和式(4)的等式约束：

将式(4)代入式(1)，得到式(5)，由式(5)计算出某台PCS的充放电功率控制指令P_i和功率控制偏差ΔP_i：

其中，Pe_i为该PCS额定功率。

进一步地，调度下发的AGC指令包括以下3部分：

1)电网调度中心根据控制区的区域控制偏差结合频率负荷特性计算出功率调节需求；

2)由负荷经济调度预测得到的生产计划曲线生成基点功率值；

3)电网调度中心对所采集的新能源电站功率进行低通滤波后，计算生成新能源电站功率波动平抑指令。

更进一步地，储能电站EMS通过远端测控单元接受调度中心实时下发的AGC指令。

更进一步地，储能电站EMS根据AGC指令与并网点反馈的有功功率计算出功率调节偏差，储能协调控制器对功率调节偏差进行一次调频频差闭锁约束，同时在线监测独立储能单元的实时运行数据。

更进一步地，在满足响应速度与准确性的前提下，储能协调控制器通过预定AGC控制策略整定计算出各电池簇组PCS间的功率调节指令，并将功率调节指令直接分配至PCS，实现全站或独立储能单元有功功率的自动增减，从而达到储能电站或单元主动参与电网频率调节控制的目的。

本发明具有的有益效果如下：本发明可以有效实现电网侧电化学储能单元级与电站级AGC控制，提升电网侧电化学储能电站的运行效率和调控灵活性。

本发明解决了现有技术中无法在AGC控制策略模式下进行电池组串的功率分配的优化问题，达到了对电池组功率分配优化，同时实现了电站AGC的单元及与电站级的有效控制。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中电网侧储能电站AGC控制总体结构框图；

图2为本发明具体实施方式中储能电站或单元参与电网频率控制原理图；

图3为本发明具体实施方式中优化后储能AGC指令分配计算流程图。

具体实施方式

以下便结合本发明实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明的技术方案更易于理解、掌握。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

储能电站EMS通过远端测控单元(RTU)接受到调度中心实时下发的AGC指令主要由以下3部分构成，如图1所示：

(1)电网调度中心根据控制区的区域控制偏差(ACE)结合频率负荷特性计算出功率调节需求；

(2)由负荷经济调度预测得到的生产计划曲线生成基点功率值；

(3)电网调度中心对所采集的新能源电站功率进行低通滤波后，计算生成新能源电站功率波动平抑指令。

储能电站EMS根据AGC指令与并网点反馈的有功功率计算出功率调节偏差，储能协调控制器对功率调节偏差进行一次调频频差闭锁约束，同时在线监测6个独立储能单元(24组电池簇)的实时运行数据。在满足响应速度与准确性的前提下，储能协调控制器通过预定AGC控制策略整定计算出各电池簇组PCS间的功率调节指令，并将功率调节指令直接分配至PCS，从而实现全站或独立储能单元有功功率的自动增减，从而达到储能电站或单元主动参与电网频率调节控制的目的。储能电站或单元参与电网频率控制原理框图如图2所示。

运行过程中，储能电站在接收到调度下发的AGC指令后，根据储能电站EMS所选择的AGC控制对象是全站或某个独立储能单元，对AGC指令进行最大可充放电功率上/下限值约束，同时AGC指令还要进行一次调频闭锁约束。然后，储能协调控制器根据预选的功率分配策略进行PCS功率控制指令计算。全站或独立储能单元AGC控制策略计算流程如图3所示。

当前，国内电网侧储能电站在监测各电池簇组和PCS的故障或告警基础上，绝大多数仅仅采取等比例或等裕度分配策略生成各电池簇组PCS的功率控制指令，并不考虑电池簇组的能效差异性。然而，由于电化学储能电站的电池数量众多，在长期统一的充放电过程中各组电池必然存在SOC和能效特性较大偏差，部分运行场景下就会出现电池效率低、损耗大的不良工况，不仅降低了储能系统经济效益，也损害了电池寿命，减少了电池可运行时间。

目前，电网侧储能电站的充放电策略主要有2种，一种是根据每台PCS当前最大可充放电功率进行等比例分配(以下简称等比例算法)，另一种是根据每台PCS所关联的电池单元SOC进行等裕度分配(以下简称等裕度算法)，但这2种功率分配策略均没有考虑到电池能耗问题。

因此，本发明在等比例或等裕度分配策略的基础上引入电池能耗影响因子，对AGC指令的功率分配策略进行优化(简称本发明算法)，具体指令计算流程图3所示。

1.1等比例分配策略

若储能电站共有n台PCS，某台PCS的充放电功率记为P_i，则储能电站各PCS的充放电功率应满足调度AGC指令的功率约束，即满足式(1)：

当储能AGC控制策略采用等比例分配算法时，则每台PCS的充放电功率应满足式(2)的等式约束。

P₁＝P₂＝…＝P_n (2)

将式(2)代入式(1)，得到式(3)，由式(3)可计算出某台PCS的充放电功率控制指令P_i和功率控制偏差ΔP_i：

其中，P_实为该PCS当前实发功率。

1.2等裕度分配策略

同理，当储能AGC控制策略采用等裕度分配算法时，则每台PCS的充放电功率应同时满足式(1)和式(4)的等式约束：

将式(4)代入式(1)，得到式(5)，由式(5)可计算出某台PCS的充放电功率控制指令P_i和功率控制偏差ΔP_i：

其中，Pe_i为该PCS额定功率。

1.3引入电池能耗因子

显然，利用储能AGC控制策略计算某台PCS充放电功率控制指令时，若引入电池能耗因子K_i，则每台PCS的充放电功率应同时满足式(6)和式(7)的等式约束：

根据电池材料及电荷特性，某簇电池组的能耗因子K_i与该簇组电池的充放电循环次数、运行时长和日历寿命相关，记式(8)：

K_i＝f(C_i，H_i，D_i) (8)

其中，C_i为某簇组电池的充放电循环次数，H_i为运行时长，D_i为日历寿命记。由于充放电循环次数、运行时长、日历寿命记等参数与电池簇组的能耗因子呈反比，那么，某簇组电池充放电循环次数在AGC功率分配中的影响因子可用该电池簇组充放电循环次数C_i占电池簇组平均充放电循环次数average(C₁，…，C_n)比重的倒数来表示，记为η_Ci，满足等式(9)：

同理，运行时长的影响因子记为η_Hi，日历寿命的影响因子记为η_Di，并且分别满足式(10)、(11)：

那么，某簇电池组影响因子可记为η_i，并满足公式(12)：

η_i＝η_Ci×η_Hi×η_Di (12)

因此，某簇电池组在AGC功率分配中的能耗因子可用该电池簇组影响因子η_i占电池簇组平均影响因子average(η₁，…，η_n)的比重来表示，记为K_i，并满足式(13)：

对于因出现部分PCS告警或者BMS告警等异常情况导致PCS功率指令计算分配结果越过功率限制值的工况，要采用凸规划进行求解。

下面将对等比例分配策略、等裕度分配策略以及引入能耗因子优化后的策略进行现场实际测试比对，基于现场测试数据进行分析比较，以确定不同分配策略对储能AGC控制时各PCS运行工况的影响。

对2号储能单元分别进行AGC策略优化前后对比测试，并基于测试数据计算给定样本方差。

表1 3种分配算法的数据分析比较

从测试结果可以看出，在PCS初始状态为0时，等裕度和等比例算法的策略分配计算结果是一致的。随着AGC指令调节需求的增加，本发明算法的策略分配计算结果的差异性逐渐增大，表明在不同AGC指令工况下，本发明所提出的AGC优化策略有效可行。

Claims (8)

1.电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，运行过程中，储能电站在接收到调度下发的AGC指令后，根据储能电站能量管理系统EMS所选择的AGC控制对象是全站或某个独立储能单元，对AGC指令进行最大可充放电功率上/下限值约束，同时AGC指令还要进行一次调频闭锁约束；

然后，储能协调控制器根据预选的功率分配策略进行PCS功率控制指令计算，在等比例或等裕度功率分配策略的基础上引入电池能耗影响因子，对AGC指令的功率分配策略进行优化；

利用储能AGC控制策略计算某台PCS充放电功率控制指令时，若引入电池能耗因子K _i ，则每台PCS的充放电功率应同时满足式（6）和式（7）的等式约束：

（6）

（7）

式中，P _i 为某台PCS的充放电功率，K _i 为某簇电池组的电池能耗因子；

根据电池材料及电荷特性，某簇电池组的电池能耗因子K _i 与该簇电池组的充放电循环次数、运行时长和日历寿命相关，记式（8）：

（8）

其中，C _i 为某簇电池组的充放电循环次数，H _i 为运行时长，D _i 为日历寿命；

由于充放电循环次数、运行时长和日历寿命与电池能耗因子呈反比，那么，某簇电池组 充放电循环次数在AGC功率分配中的影响因子用该簇电池组充放电循环次数C _i 占电池组平 均充放电循环次数average(C ₁,…,C _n )比重的倒数表示，记为

，满足等式（9）：

（9）

同理，运行时长的影响因子记为

，日历寿命的影响因子记为

，并且分别满足式 （10）、（11）：

（10）

（11）

那么，某簇电池组影响因子记为

，并满足公式（12）：

（12）

因此，某簇电池组在AGC功率分配中的能耗因子用该簇电池组影响因子

占电池组平 均影响因子

的比重来表示，记为K _i ，并满足式（13）：

（13）。

2.根据权利要求1所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，对于因出现部分PCS告警或者BMS告警情况导致PCS功率指令计算分配结果越过功率限制值的工况，要采用凸规划进行求解。

3.根据权利要求1或2所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，所述的等比例功率分配策略如下：

若储能电站共有n台PCS，某台PCS的充放电功率记为P _i ，则储能电站各PCS的充放电功率应满足调度AGC指令的功率约束，即满足式（1）：

（1）

当储能AGC控制策略采用等比例分配算法时，则每台PCS的充放电功率应满足式（2）的等式约束：

（2）

将式（2）代入式（1），得到式（3），由式（3）计算出某台PCS的充放电功率控制指令P _i 和功率控制偏差DP _i ：

（3）

其中，P _实为该PCS当前实发功率。

4.根据权利要求3所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，所述的等裕度分配策略如下：

当储能AGC控制策略采用等裕度分配算法时，则每台PCS的充放电功率应同时满足式（1）和式（4）的等式约束：

（4）

将式（4）代入式（1），得到式（5），由式（5）计算出某台PCS的充放电功率控制指令P _i 和功率控制偏差DP _i ：

（5）

其中，

为该PCS额定功率。

5.根据权利要求1或2所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，调度下发的AGC指令包括以下3部分：

1)电网调度中心根据控制区的区域控制偏差结合频率负荷特性计算出功率调节需求；

2)由负荷经济调度预测得到的生产计划曲线生成基点功率值；

3)电网调度中心对所采集的新能源电站功率进行低通滤波后，计算生成新能源电站功率波动平抑指令。

6.根据权利要求5所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，储能电站EMS通过远端测控单元接受调度中心实时下发的AGC指令。

7.根据权利要求5所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，储能电站EMS根据AGC指令与并网点反馈的有功功率计算出功率调节偏差，储能协调控制器对功率调节偏差进行一次调频频差闭锁约束，同时在线监测独立储能单元的实时运行数据。

8.根据权利要求7所述的电网侧电化学储能单元及电站AGC控制方法，其特征在于，在满足响应速度与准确性的前提下，储能协调控制器通过预定AGC控制策略整定计算出各簇电池组PCS间的功率调节指令，并将功率调节指令直接分配至PCS，实现全站或独立储能单元有功功率的自动增减，从而达到储能电站或单元主动参与电网频率调节控制的目的。

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